第一章 往复式压缩机_百度文库
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第一章 往复式压缩机|
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& & 往复压缩机的构造、工作原理与往复泵的比较相似。依靠活塞的往复运动而将气体吸入和压出，主要部件有气缸、活塞、吸气阀和排气阀。& & 图2-45所示的为立式单动，双缸压缩机，在机体内装有两个并联的气缸1，称为双缸，两个活塞2连于同一根曲轴5上。吸气阀4和排气阀3都在气缸的上部。气缸与活塞端面之伺所组成的封闭容积是压缩机的工作容积。曲柄连杆机构推动活塞不断在气缸中作往复运动，使气缸通过吸气阀和排气阀的控制，循环地进行吸气一压缩一排气一膨胀过程，以达到提高气体压强的目的。气缸壁上装有散热翅片以进行冷却。& & 往复压缩机的构造和工作原理虽与往复泵的相近，但因往复压缩机所处理的是可压缩的气体，在压缩后气体的压强增高，体积缩小，温度升高，因此往复压缩机的工作过程与往复泵有所不同，故其排气量，排气温度和轴功率等参数应运用热力学基础知识去解决。& & 一、往复压缩机的工作过程& & 现以单动往复压缩机为例说明压缩机的工作过程。如图2-46所示，吸气阀S和排出阀D都装在活塞的一侧，设压缩机入口处气体的压强为p1，出口处为p2。为便于分析往复压缩机的工作过程，可作如下假设：& & (1)被压缩的气体为理想气体。& & (2)气体流经吸气阀及排气阀的流动阻力可忽略不计，所以在吸气过程中气缸内气体仍压强恒等于入口处的压强p1，在排气过程中气缸内气体的压强恒等于出口处的压强p2。& & (3)压缩机无泄漏。& & (一)理想压缩循环& & 设气缸中的气体在排气终了被全部排净，即排气终了时活塞与气缸端盖间没有空隙，或者说没有余隙。& & 如图2-46所示，当活塞位于气缸的最右端时，缸内气体的压强为p1，体积为V1，其状态如p-V图上点1所示。图2-46 理想压缩的p-V图& & 活塞开始向左运动时，由于吸气阀和排气阀都是关闭的，故气体的体积逐渐减小，压强逐渐上升，当活塞移动到截面2时，气体的体积压缩至V2，压强升至p2，其状态相当于p-V图上的点2，该过程称为压缩过程，气体的状态变化以p-V图上的曲线1-2表示。& & 气体的压强达到p2时，排气阀被顶开，随着活塞继续向左移动，气体在压强久下排出，活塞移动到端面3时，气体全部被排净，该过程称为恒压下的排气过程，气体的状态沿p-V图上的水平线2-3而变化，直至点3为止。& & 活塞从气缸最左端截面3开始运动，因气缸内无气体，故活塞稍向右移动，气缸内的压强立刻下降到p1，气体状态达到p-V图上的点4。此时，排气阀关闭，吸气阀被打开，随着活塞向右移动，气体被吸入，气缸内压强维持为入，直至活塞达到右端截面1，即体积为Vl时为止，该过程称为恒压下的吸气过程，气体的状态沿p-V图上水平线4-I而变化，直至回复到点1为止．这样，活塞往复一次，压缩机便完成了一个工作循环，再次作往复运动时，则又开始了另一循环。& & 综上所述，图2-46所示的往复压缩机的工作循环是由恒压下吸气过程，压缩过程、恒压下排气过程所组成，称为理想压缩循环，或称为理想工作循环。& & 理想压缩循环既是由吸气、压缩、排气三个过程所组成，则理想压缩循环功应是三个过程活塞对气体所作功的代数和。& & 在吸气过程中，压强为p1的气体对活塞所作的功是流动功，应为负值，即：W1=-p1V1& & W1值相当于图2-46上的4-1-6-0-4包围的面积。& & 在压缩过程中，活塞对气体所作的功，按热力学的规定应取为负值，即：& & W2值相当于图2-46上的1-2-5-6-1包围的面积。& & 在排气过程中，活塞对压强为p2的气体所作的功，应为正值，即：W3=p2V2& & W3值相当于图2-46上的2-3-0-5-2包围的面积。& & 于是理想压缩循环功为:(2-42)(2-43)& & 值相当于图2-46上的1-2-3-4-1包围的面积，常称为压缩机理想压缩循环所消耗的理**。& & 从式2-43可看出，在一定的吸入和排出压强下，理想压缩循环功仅与气体的压缩过程有关。根据理想气体的不同压缩过程的p-V变化关系，结合式2-43进行积分，就能求得相应的理想压缩循环功。& & (1)等温压缩过程 即气体被压缩时温度始终保持恒定。要实现这种过程，必须使气缸壁具有完全理想的导热性能，可将因压缩而产生的热量及活塞与缸壁摩擦产生的热量全部移出，这显然是不可能的，但常用来衡量压缩机实际工作过程的经济性。& & 等温压缩循环功为：(2-44)& & (2)绝热压缩过程 即气体在压缩时与周围环境间．没有任何热交换作用。既然不取—出热，气体从p1压缩到p2的过程中，温度一定要不断升高，压缩到p2后的体积也就要比等温压缩时为大。若等温压缩时气体状态按图2-46中曲线1-2而变，则绝热压缩时便按图中虚线1-2a而变。实际上绝热压缩也是难以实现的，不过它较为接近压缩机的实际工作情况，所以常常以此作为近似计算的依据。& & 绝热压缩循环功为：(2-45)& & 绝热压缩时，排出气体的温度为：(2-46)& & (3)多变压缩过程 压缩机实际工作过程是介于上述两种极端情况之间，即实际压缩时气体温度有变化，且与外界有热交换发生，称为多变过程。& & 多变压缩循环功与排出气体的温度仍可分别按式2-45和式2-46计算，只是式中的绝热指数。应以多变指数m来代替。& & 由图2-46可见，以等温压缩过程消耗的功为最少。& & （二)实际压缩循环& & 上述过程之所以称为理想压缩循环，是因为假定在排气过程之末，能把气缸内的气体完全排出，即要求活塞移动到气盖的端盖上并与阀门密切接触，显然这样的设计是不适宜的。实际上排气终了时，活塞与气缸盖之间必须留出很小的空隙，称为余隙。有余隙存在时的理想气体的压缩循环称为实际压缩循环。& & 由于气缸内有余隙存在，使往复压缩机的实际压缩循环与理想压缩循环不同，可用图2-47来说明。活塞位于最右端即吸入了压强为p1、体积为V1的气体后，就从p-V图上的状态点1开始进行压缩过程，气体压强达到p2后排气阀被顶开，在恒定压强下进行排气过程，如p-V图上的水平线2-3所示。因有余隙存在，排气过程终了时，活塞与气缸端盖之间仍残存有压强为p2，体积为V3的气体。当活塞向右移动时，气缸内体积逐渐扩大，残留的高压气体不断膨胀，直至压强降至与吸入压强p1相等为止，此过程为余隙气体的膨胀过程，如p-V图中的曲线3-4所示。活塞继续向右移动，吸气阀被打开，在恒定压强p1下进行吸气过程，直至活塞回复到气缸的最右端截面为止，如p-V图中的水平线4-1所示。活塞往复一次，完成了一个压缩循环。所以实际压缩循环是由吸气、压缩，排气和膨胀四个过程所组成。图2-47 实际压缩循环的p-V图& & 由图可见，在每一个工作循环中，尽管活塞在气缸内扫过的体积为(V1-V3)， 但吸入气体的体积只是(V1-V4)。余隙的存在，明显地减少了每一压缩循环的吸气量。& & 在实际压缩循环中，若按绝热压缩过程来考虑，活塞对气体所作的功应为：（2-47）& & (三)余隙系数和容积系数& & (1)余隙系数 余隙体积占活塞推进一次所扫过体积的百分率，称为余隙系数，以ε表示，其表达式为：（2-48）& & 一般大、中型压缩机的低压气缸的ε值约在8％以下，高压气缸的ε值可达12％左右。 & & (2)容积系数 压缩机一次循环吸入气体的体积(V1-V4)和活基一次扫过体积(V1-V3)之比，称为容积系数λ0，即（2-49）& & 若上式中的V1，用比较固定的V3，来表示，如对绝热膨胀，则可导出：& & 整理上式即可得到容积系数和余隙系数的关系：（2-50）& & 式2-50表明，当气体的压缩比一定时，余隙系数加大，容积系数就变小，压缩机的吸气量也就减少。对于一定的余隙系数，气体的压缩比愈高，余隙气体膨胀后所占气缸的体积也就愈大，使每一循环吸气量下降得更多，当压缩比高到某一程度时，容积系数可能变为零，即当活塞向右运动时，残留在余隙中的高压气体膨胀后完全充满气缸，以致不能再吸入新的气体。& &二、往复压缩机的主要性能参数& & (一)排气量& & 往复压缩机的排气量又称为压缩机的生产能力，通常将压缩机在单位时间内排出的气体体积换算成吸入状态的数值，所以又称为压缩机的输气量。气体只有被吸进气缸后方能排出，故排气量的计算应从吸气量出发。& & 若没有余隙，往复压缩机的理论吸气量与往复泵的类似，即：单动往复压缩机（2-51）双动往复压缩机（2-51a）& & 由于气缸里有余隙，余隙气体膨胀后占据了部分气缸容积，且气体通过吸气阀时存在流动阻力，使气缸里的压强比吸入气体的压强稍为低一些，气缸内的温度又比吸入气体的温度高，吸入气缸的气体也要膨胀而占去了一部分有效体积。所以实际吸气量要比理论吸气量为少。& & 由于压缩机的各种泄漏，实际排气量又比实际吸气重要低。& & 综合上述原因，实际排气量应为：(2-52)& & (二)轴功率与效率& & 若以绝热过程为例，压缩机的理**率为：(2-53)& & 实际所需的轴功率比理**率大，其原因为：& & (1)实际吸气量比实际排气量大，凡吸入的气体都要经历压缩过程，多消耗了能量。& & (2)气体在气缸内湍动及通过阀门等的流动阻力，要消耗能量。& & (3)压缩机运动部件的摩擦，也要消耗能量.& & 所以压缩机的轴功率为：N=Na/ηa （2-54）& & 三、多级压缩& & 前面讨论了气体在一个气缸内工作的过程，即单级压缩过程。图2-48所示为多级压缩过程，即将压缩机内的两个或更多个气缸串联起来，气体在第一个气缸1内被压缩后，经中间冷却器2，油水分离器3再送入第二个气缸进行压缩，连续地依次经过若干气缸的压缩，即达到所要求的最终压强。每经过一次压缩称为一级，每一级的压缩比只占总压缩比的一个分数。图2-48 三级压缩示意图& & 采用多级压缩的理由如下：& & (1)避免排出气体温度过高。化工生产中常遇到将某些气体的压强从常压提高到几千，甚至几万以上kPa的情况，这时压缩比就很高。从式2-46中可知，排出气体的温度随压缩比增加而增高。过高的终温导致润滑油粘度降低，失去润滑性能，使运动部件间摩擦加捌，磨损零件，增加功耗。此外，温度过高，润滑油分解，若油中低沸点组分挥发与空气棍合，使油燃烧，严重的还会造成爆炸事故．因此在实际运转中，过高的油温是不允许的。& & (2)减少功耗，提高压缩机的经济性。在同样的总压缩比下，多级压缩采用了中间冷却器，消耗的总功比单级压缩时为少。& & 如图2-49所示，若p1、V1状态的气体要求压缩到压强p2时，如果采用单级绝热压缩，则压缩过程终态为p2、V2时所消耗的厌缩循环理**相当于用上1-2-3-4-1所围成的面积。若改为两级压缩，中间压强为p2′，尽管每一级也是进行绝热压缩，但因级间在恒定压强p2′下使气体冷却，其体积将由V2′降为V2″，使两级压缩所消耗的总理**相当于图上1-2′-2″-3′-3-4-1所围成的面积。每压缩体积为V1的气体少消耗的功相当于2′-2″-3′-2-2′所围成的面积。所用的级数愈多，则所消耗的功愈少，也愈接近等温压缩过程。图2-49 多级压缩的理**& & (3)提高气缸容积利用串。气缸内总是不可避免地会有余隙空间存在，当余隙系数一定时，由式2-50可知，压缩比愈高，容积系数愈小，气缸容积利用率便低。如为多级压缩，每级压缩比较小，相应各级容积系数增大，从而可提高气缸容积利用率。& &&&(4)压缩机结构更为合理。若采用单级压缩，为了承受很高终压的气体，气缸要做得很厚，又因要吸入初压很低、体积很大的气体，气缸又要做得很大。若采用多级压缩，气体经每级压缩后，压强逐级增大，体积逐级减小，因此气缸的直径可遥级减小，而缸壁也可逐级增厚。& & 从上分析可知，当压缩比大于8时，一般采用多级压缩。但压缩机的级数愈多，整个压缩系统结构复杂。冷却器、油水分离器等辅助设备的数量也随级数成比例地增加，且为克服阀门、管路系统和设备的流动阻力而消耗的能量也增加。因此过多的级数也是不合理的。必须根据具体情况，恰当地确定级数。& & 四、往复压缩机的类型与选用& & 往复压缩机的分类方法很多，例如，按在括塞的一侧或两侧吸、排气体，可分为单动和双动往复压缩机，按气体受压次数可分为单级，双缓和多级压缩机；按压缩机所产生的终压大小可分为低压(98.07×lO4Pa以下)、中压(98.07×104～98.07×lO5Pa)和高压(98.07×105～98.07×lO6Pa)压缩机；按排气量可分为小型(10m3/min以下)、中型(10～30m3/min)和大型(30m3/min以上)压缩机，按所压缩的气体种类可分为空气压缩机、氨压缩机、氢压缩机、石油压缩机等。此外，决定压缩机型式的主要标志是气缸放置的位置，气缸垂直放置的叫立式，水平放置的卧式，几个气缸互相配置成L形，V形和W形的叫角式压缩机。& & 选用压缩机时，首先应根据输送气体的性质确定压缩机的种类。各种气体具有各自特殊性质，对压缩机便有不同的要求。例如，氧气是一种强烈的助燃气体，氧气压缩机的润滑方法和零部件材料就与空气压缩机的不同。其次根据生产任务及厂房的具体条件选定压缩机结构的型式，如立式，卧式还是角式。最后根据生产上所要求的排气量和排气压强，在相应的压缩机样本或产品目录中选择合适的型号。应予注意，压缩机样本或产晶目录中所列的排气量，一般按20℃、101.33kPa状态下的气体体积计算，单位为m3/min，排气压强以Pa（表压）来表示。
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3秒自动关闭窗口往复式压缩机理论耗功量计算式的另一推导方法--《压缩机技术》1984年03期
往复式压缩机理论耗功量计算式的另一推导方法
【摘要】：正无论是在过去的化工原理类教科书〔1、2〕,还是在目前比较通行的化学工程类教科书〔3、4、5、6〕,甚至某些热力学的专著〔7、8、9〕中,对最基本的单动往复式压缩机理论耗功量W的计算都只是给出计算公式,或者附带给出推导过程,但是附加的限制条件较多。笔者试图从另一角度出发,推导出限制条件较少的理论耗功量的计算公式。
【作者单位】：
【关键词】：
【正文快照】：
无论是在过去的化工原理类教科书{1、23,式中负号表示气体体积是减少的,而正号还娃在目前比较通行的化学工程类教科 表示活塞往返一次所全部消耗的功。换言之,书o、。、’、n,甚至某些热力学的专著(7、8、gi中,凡应当是循环过程中活塞对气体所作的功。对最基本的单动往复式压
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